生物化学 第五章   核 酸 核酸是一类重要的生物大分子——含磷酸基团的生物大分子，它是所有细胞性生物和病素养的重要成份，占细胞干重的5-15%。 核酸的功能是它是遗传信息的载体，各种生物的遗传现象都是核酸所含遗传信息的表现，所以它具有贮存和传递遗传信息的功能。这一点已由一系列的严谨的实验得到证明——转化实验。病毒重组实验和噬菌体感染实验。

第一节 核酸概论 一、核酸的发现和研究简史 基因是片段因子 染色体是遗传单位 基因位于染色体上 染色体上包含线状排列的基因 突变是基因的物理变化 交换导致重组 DNA是遗传物质 一个基因编码一个蛋白质 DNA是双螺旋的 DNA复制是半保留的 遗传的密码是三联体的 DNA是可以测序的 基因组是可以测序的.

第一节 核酸概论

第一节 核酸概论 Miescher从小牛胸腺里提取了核酸动物核酸DNA Altmann从酵母中也提出一种核酸植物核酸RNA 细胞核里的核酸与小牛胸腺的核酸相似,而细胞质里的核酸与植物核酸相似. 经过一系列的研究,到核酸的化学组成,由四种核苷酸组成。两者的差别主要是核糖的不同，DNA是脱氧核糖，RNA是核糖( Hammars,1894)。 细胞核里的核酸称为脱氧核糖核酸（DNA） 细胞质里的核酸称为核糖核酸（RNA）

第一节 核酸概论 四核苷酸假说 Phoebus Levene (Russian-American, （1869-1940) Phoebus Aaron Theodore Levene, M.D. (25 February 1869 – 6 September 1940) was a Lithuanian-American biochemist who studied the structure and function of nucleic acids. He characterized the different forms of nucleic acid, DNA from RNA, and found that DNA contained adenine, guanine, thymine, cytosine, deoxyribose, and a phosphate group it was there that he identified the components of DNA. (He had discovered ribose in 1909[citation needed] and deoxyribose in 1929[citation needed].) Not only did Levene identify the components of DNA, he also showed that the components were linked together in the order phosphate-sugar-base to form units. He called each of these units a nucleotide, and stated that the DNA molecule consisted of a string of nucleotide units linked together through the phosphate groups, which are the 'backbone' of the molecule. His ideas about the structure of DNA were wrong; he thought there were only four nucleotides per molecule. He even declared that it could not store the genetic code because it was chemically far too simple. However, his work was a key basis for the later work that determined the structure of DNA. Levene published over 700 original papers and articles on biochemical structures. Levene died in 1940, before the true significance of DNA became clear. 贡献：核酸的化学结构及核酸中糖的鉴定

Wrong DNA structure proposed by Phoebus Levene

第一节 核酸概论 In 1928, Frederick Griffith (British), 1944 ， O. Avery 肺炎双球菌转化实验

第一节 核酸概论 1952 ， A.D Hershey 和M. Chase 噬菌体感染实验

第一节 核酸概论 Erwin Chargaff showed (1950’s): 不同来源的DNA的碱基组成不同 %A=%T and %G=%C Edwin Chagraff (1905-2002)

第一节 核酸概论 James Watson (American, 1928-) Francis Crick (British, 1916-2004) Maurice Wilkins (1916-) and Rosalind Franklin (1920-1958)

1960年——1973年 发现了逆转录酶. 发现了基因工程的工具酶. 1972年由Con实现了DNA的体外重组. 1973年以后 明确了基因的概念. 基因工程的兴起. 一级结构的顺序测定的发展. 高级结构的测定. 核酸的人工合成. 人类基因组

第一节 核酸概论 二、核酸的种类和分布 （一）脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid , DNA)

第一节 核酸概论 （二）核糖核酸（ribonucleic acid , RNA) 1、转移RNA（transfer RNA , tRNA) : 保守性最强 2、核糖体RNA（ribosomal RNA , rRNA) 3、信使RNA（messenger RNA , mRNA) 4、特殊功能的RNA(noncoding RNA) Small nuclear RNA , snRNA (核内小RNA） Small nucleoar RNA , snoRNA （核仁小RNA) Small cytoplasmic RNA , scRNA(核质小RNA) Antisense RNA (反义RNA） miRNA, lncRNA Ribozyme （核酶） Small nuclear ribonucleic acid (snRNA) is a class of small RNA molecules that are found within the nucleus of eukaryotic cells. They are transcribed by RNA polymerase II or RNA polymerase III and are involved in a variety of important processes such as RNA splicing (removal of intronsfrom hnRNA), regulation of transcription factors (7SK RNA) or RNA polymerase II (B2 RNA), and maintaining the telomeres. They are always associated with specific proteins, and the complexes are referred to as small nuclear ribonucleoproteins (snRNP) often pronounced "snurps". These elements are rich in uridine content. Small nucleolar RNAs (snoRNAs) are a class of small RNA molecules that primarily guide chemical modifications of other RNAs, mainly ribosomal RNAs, transfer RNAs and small nuclear RNAs. There are two main classes of snoRNA, the C/D box snoRNAs which are associated with methylation, and the H/ACA box snoRNAs which are associated with pseudouridylation. SnoRNAs are commonly referred to as guide RNAs but should not be confused with theguide RNAs that direct RNA editing in trypanosomes.

第一节 核酸概论 三、核酸的生物功能 20世纪40年代DNA和RNA都是细胞的重要组成物质，前者可引起遗传性状的转化，后者可能参与蛋白质的生物合成。 （一）DNA是主要的遗传物质 遗传物质细胞细胞核染色体DNA（非蛋白质）DNA片段基因

第一节 核酸概论 三、核酸的生物功能 （二）RNA参与蛋白质的生物合成 1、参与蛋白质的合成 2、RNA的转录后加工与修饰 3、参与基因表达的调控 4、生物催化作用 5、遗传信息的加工与进化

第二节 核酸的结构单元——核苷酸 一、核酸的化学组成 核 酸（nucleic acid) 核苷酸(nucleotide) 磷酸 (phosphoric acid) 核苷(nucleoside) 戊糖(pentose) 碱基(base) 核酸可以象蛋白质一样被酶，酸，或碱水解通过核酸的水解作用来了解核酸的结构层次。 核酸是一种多聚核苷酸，它的基本结构单位是核苷酸（Nucleotide)

第二节 核酸的结构单元——核苷酸 两类核酸的基本化学组成

Nucleoside (Adenosine) Nucleotide (Adenosine monophosphate, AMP) 核苷酸的基本构造 1’ 2’ 3’ 4’ 5’ 碱 基 磷 酸 Adenine Guanine Thymine Cytosine Uracil Purine Monophosphate Diphosphate Triphosphate Pyrimidine 五碳糖 Ribose, Deoxyribose 核苷酸 是由三部份構造所組成，每一部份又可有數種選擇；例如五碳糖部分，可能是核糖 (ribose) 或是去氧核糖 (deoxyribose)，此種差別造成了DNA 與 RNA 在性質與構造上的不同。 我們所常見的 ATP 分子，是含有核糖，若核糖改成去氧核糖，則寫成 dATP。上圖只是畫出大略的構造關係，請自行在課本上找出確實的分子構造，要能自己默寫出詳細構造才可以；尤其各種鹼基之間，以氫鍵連結的配對情形，一定要十分清楚。 生命的奧祕，幾乎盡藏於此。 核苷 核苷酸 Nucleoside (Adenosine) Nucleotide (Adenosine monophosphate, AMP)

第二节 核酸的结构单元——核苷酸 二、核酸组成部分的化学结构 （一）碱基 核苷酸中的碱基均为含氮杂环化合物，它们分别属于嘌呤衍生物和嘧啶衍生物。核苷酸中的嘌呤碱(purine)主要是鸟嘌呤(guanine, G)和腺嘌呤(adenine, A)，嘧啶碱(pyrimidine)主要是胞嘧啶(cytosine, C)、尿嘧啶(uracil, U)和胸腺嘧啶(thymine, T)。 嘧啶 1.嘧啶碱：尿嘧啶、胞嘧啶、胸腺嘧啶 2.嘌呤碱：腺嘌呤、鸟嘌呤 3.核酸中的修饰碱基： 100余种，多数是甲基化的产物 嘌呤

第二节 核酸的结构单元——核苷酸 （一）碱基 嘧啶 嘌呤 嘌呤和嘧啶环中含有共轭双键，对260nm左右波长的紫外光有较强的吸收。碱基的这一特性常被用来对碱基、核苷、核苷酸和核酸进行定性和定量分析.

第二节 核酸的结构单元——核苷酸 1、嘧啶 嘧啶 胞嘧啶C 尿嘧啶U 5-羟甲基胞嘧啶 5-甲基胞嘧啶 胸腺嘧啶T 嘧啶碱基的母体结构是嘧啶环，它的原子定位在嘧啶二氮的一下边。 胞嘧二氧四位氨，二四二氧尿嘧啶，再加五甲胸腺碱。 甲基，羟甲基胞嘧啶也属于常见的嘧啶碱，都可以作为核酸的主要成份。因在病毒中大量存在。 5-羟甲基胞嘧啶 5-甲基胞嘧啶 胸腺嘧啶T

第二节 核酸的结构单元——核苷酸 2、嘌呤 嘌呤 腺嘌呤 鸟嘌呤 六元环是实际上是嘧啶环，五元环部分是咪唑环。 嘌呤碱基的母体是嘌呤环。从这个母体嘌呤环可出。。。 6位有氨腺嘌呤，鸟嘌6氧二位氨。 嘌呤 腺嘌呤 鸟嘌呤 六元环是实际上是嘧啶环，五元环部分是咪唑环。 嘌呤的定位与嘧啶不同，嘧啶从底边开始定，而嘌呤从侧面开始定位。

第二节 核酸的结构单元——核苷酸 3、稀有碱基（修饰碱基） 6-甲-氨基腺嘌呤 二氢尿嘧啶 有些核酸中还含有修饰碱基(modified component)或稀有碱基（unusual component），这些碱基大多是在上述嘌呤或嘧啶碱的不同部位被甲基化(methylation)或进行其它的化学修饰而形成的衍生物。一般这些碱基在核酸中的含量稀少，在各种类型核酸中的分布也不均一。DNA中的修饰碱基主要见于噬菌体DNA，如5-甲基胞嘧啶(m5C)，5-羟甲基胞嘧啶hm5C；RNA中以tRNA含修饰碱基最多，如1-甲基腺嘌呤(m1A)，2,2-二甲基鸟嘌呤(m22G)和5,6-二氢尿嘧啶(DHU)等。 修饰主要是甲基化，RNA中以tRNA含修饰碱基最多。

第二节 核酸的结构单元——核苷酸 4、碱基互变异构 核酸中五种碱基中的酮基和氨基，均位于碱基环中氮原子的邻位，可以发生酮式-烯醇式或氨基-亚氨基之间的结构互变。这种互变异构在基因的突变和生物的进化中具有重要作用。

第二节 核酸的结构单元——核苷酸 核糖 脱氧核糖 （二）戊糖 核酸中的戊糖是D型的，有核糖(ribose)和脱氧核糖(deoxyribose)两种，分别存在于核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸中。为了与碱基标号相区别，通常将戊糖的C原子编号都加上撇“ ′”，而碱基中原子的标号不加撇，以示区别。 1’ 核糖 脱氧核糖 无氧

第二节 核酸的结构单元——核苷酸 三、核苷 (nucleoside) 戊糖与嘧啶或嘌呤碱以C-N糖苷键连接就称为核苷，通常是戊糖的C1′与嘌呤碱的N9或嘧啶碱的N1相连接。 b型糖苷键,碱基与糖环平面互相垂直，反式存在。 B型糖苷键比较稳定。 腺嘌呤核苷 胞嘧啶脱氧核苷

第二节 核酸的结构单元——核苷酸 1、常见核苷 各种常见核苷 碱基 核糖核苷 脱氧核糖核苷 嘌呤 腺嘌呤 鸟嘌呤 腺嘌呤核苷 鸟嘌呤核苷 碱基 核糖核苷 脱氧核糖核苷 嘌呤 腺嘌呤 鸟嘌呤 腺嘌呤核苷 鸟嘌呤核苷 腺嘌呤脱氧核苷 鸟嘌呤脱氧核苷 嘧啶 胞嘧啶核苷 尿嘧啶核苷 -------------- 胞嘧啶脱氧核苷 -------------- 胸腺嘧啶核苷 胞嘧啶 尿嘧啶 胸腺嘧啶

第二节 核酸的结构单元——核苷酸 2、稀有核苷 稀有碱基+正常的糖 正常碱基+修饰糖或其它糖 正常碱基+正常糖，但是非正常的糖苷糖 假尿嘧啶核苷（ψ） 次黄(嘌呤核)苷 假尿嘧啶核苷 7-甲基鸟苷 4-硫代尿苷

第二节 核酸的结构单元——核苷酸

第二节 核酸的结构单元——核苷酸 四、核苷酸 核苷中戊糖C2 、C3、C5羟基被磷酸酯化,就形成核苷酸。 核苷酸分成核糖核苷酸与脱氧核糖核苷酸 结构式：5’-AMP (5’腺嘌呤核苷酸） 3’-dCMP（3’胞嘧啶脱氧核苷酸） 5’-AMP 2’-AMP 3’-AMP 腺嘌呤核苷-n’-磷酸酯

核 苷 酸 第二节 核酸的结构单元——核苷酸 碱 基 五碳糖 磷 酸 全称：腺嘌呤核苷（一磷）酸 简称：碱基的简称+ 苷+酸 由于自然界中的核苷酸主要是5‘-核苷酸，所以如果不是特指，以上的表示都是5’位核苷酸，都是指一磷酸。 如果是一个脱氧核糖的核苷酸，则它的名称（无论是全称还是简称）都是在核糖核苷酸的前面加上脱氧二字。 如脱氧腺嘌呤核苷酸，脱氧腺苷酸。 全称：腺嘌呤核苷（一磷）酸 简称：碱基的简称+ 苷+酸 如： 腺 苷 酸 Juang RH (2004) BCbasics

第二节 核酸的结构单元——核苷酸 由于自然界中的核苷酸主要是5’-核苷酸，所以如果不是特指，以上的表示都是5’ 核苷酸，都是指一磷酸。 如果是一个脱氧核糖的核苷酸，则它的名称（无论是全称还是简称）都是在核糖核苷酸的前面加上脱氧二字。 如脱氧腺嘌呤核苷酸，脱氧腺苷酸。 符号简称： 腺嘌呤核苷一磷酸 AMP pA A 脱氧腺嘌呤核苷一磷酸 dAMPdpA dA 核苷酸通式： 5’-NMP 5’-dNMP如不特指5’-可以省略。

第二节 核酸的结构单元——核苷酸 1、 构成DNA、RNA的核苷酸 DNA：dAMP、 dGMP、 dTMP、 dCMP RNA：AMP、 GMP、 UMP、 CMP

第二节 核酸的结构单元——核苷酸 2、细胞内的游离核苷酸及其衍生物 ①核苷5’-多磷酸化合物。 (脱氧)核苷二磷酸、(脱氧)核苷三磷酸,在能量代谢和物质代谢及调控中起重要作用。 双脱氧核苷酸的结构 在DNA的序列测定中使用. NTP dNTP ATP is a major source of cellular energy. GTP is a very frequent cofactor of enzymes and proteins. NTPs generally provide energy and phosphate group for phosphorylations. 双脱氧核苷酸用于DNA的测序 NDP ddNTP NMP

第二节 核酸的结构单元——核苷酸 2、细胞内的游离核苷酸及其衍生物 ②环化核苷酸 3’,5’-cAMP， 3’,5’-cGMP 肾上腺素，胰高血糖素 激活PKA PKA四个亚基，cAMP结合其调节亚基，调节亚基与其余部分分离，暴露出激酶活性。 3’,5’-cAMP 3’,5’-cGMP

第二节 核酸的结构单元——核苷酸 2、细胞内的游离核苷酸及其衍生物 ③其它多磷酸核苷酸——核苷5’多磷酸3’多磷酸化合物 ppGpp pppGpp ppApp 多磷酸化合物中5’，3’通常省略。ppNpp,在碱基N的左侧为5’，在N右侧的为3’. 调节细菌代谢 缺乏氨基酸时，大量出现，抑制RNA合成（stringent response）

第二节 核酸的结构单元——核苷酸 2、细胞内的游离核苷酸及其衍生物 ④辅酶核苷酸——核苷酸衍生物 CoA、 NAD+、NADP+、FAD等辅助因子。 GDP-半乳糖、GDP-葡萄糖等是糖蛋白生物合成的活性糖基供体。 Β巯基乙胺 泛酸（维生素B5）

烟酰胺 核黄素

第二节 核酸的结构单元——核苷酸 3、核苷酸的性质 ①一般的性状 核苷酸为无色粉末或结晶状,易溶于水,不溶于有机溶剂,有较高的熔点,酸性较强.由于其分子的不对称性和带有C*的糖环故有旋光性. ②核苷酸的紫外吸收 由于核苷酸中的碱基具有与苯环类似的共轭双键,所以它有强烈的吸收紫外光的能力，碱基、核苷和核苷酸的紫外吸收峰的吸收区间在240—290nm，各种核苷酸的最大吸收峰不同,但一般在260nm左右有较大的紫外吸收,故常用260nm作为核酸特征吸收峰值,利用这一点可作核酸的定性定量测定.

第二节 核酸的结构单元——核苷酸 3、核苷酸的性质 核苷酸的定性定量分析

第二节 核酸的结构单元——核苷酸 3、核苷酸的性质 利用紫外吸收对核苷酸的定量测定 核苷酸的紫外吸收在260nm时符合Lambert-Beer定律即: A260=.c.l A:光密度; :摩尔消光系数; c:吸光物质的摩尔浓度; l:光程. 例题：称取AMP样品534毫克定容至100毫升，PH=2.0.测定 A260=1.98×10-4 已知：MWAMP=347.2 ε260=1.5×10-2 求：样品中AMP的百分含量。

第二节 核酸的结构单元——核苷酸 3、核苷酸的性质 ③核苷酸的解离 某些碱基，核苷及核苷酸的PK’值 碱基名称 碱基的pK’值 腺嘌呤 4.15, 9.8 3.5 , 12.5* 3.8, 0.9, 6.2 鸟嘌呤 3.2, 9.6, 12.4 1.6, 9.2, 12.4* 2.4, 9.4, 0.70, 6.1 胞嘧啶 4.6, 12.2 4.15, 12.5, 12.3* 4.5, 0.80, 6.3 尿嘧啶 9.5 9.2, 12.5* 9.5, 1.0, 6.4 胸腺嘧啶 9.9 9.8, >13* 10.0, 1.6, 6.5 *：戊糖羟基的PK值。

第三节 核酸的结构 一、DNA的结构 一级结构：脱氧核苷酸分子间连接方式及排列顺序。 二级结构：DNA的两条多聚核苷酸链间通过氢键形成 的双螺旋结构。 三级结构：DNA双链进一步折叠卷曲形成的构象 （超螺旋）。

DNA的一级结构 (一).DNA的分子大小与形状 碱基对数目 总长度(mm) 形态 多瘤病毒 SV40 M13 Fd P4 T7 λ T2,T4,T6 枝原体 大肠杆菌 酵母 果蝇 人 南美肺鱼 5.1×103 5226 6407 6408 1.5×104 3.5×104 48502 1.8×105 7.6×105 4×106 1.35×107 1.65×108 2.9×109 1.02×1011 0.0017 0.0018 0.0019 0.0051 0.012 0.016 0.061 0.26 36 4.6 56 990 34,700 环状 线状 7对染色体 4对染色体 23对染色体 19对染色体

DNA的一级结构 (二).DNA的碱基组成 Chargaff规则: 1. 在所有的生物DNA中,A=T,G=C或A+G=T+C,这就是DNA碱基的当量定律,即Chargaff规则. 2. DNA的碱基组成有种的特异性,但在同一生物体内无组织特异性. 3. DNA的碱基不随年龄,营养状态的变化而变化,即稳定性.

DNA的一级结构 5’ P R 5’ 3’ 3’ 5’ 5’ （三）.DNA的一级结构 1 2 3 4 5 6 5’ 3’ 3’ 5’ 核酸是核苷酸以磷酯键连结成的长链分子 5’ 3’,5’-磷酸二酯键

ATCGATCG 核酸长链书写 5’ 3’ B 3’ 2’ 5’ 1’ R P A T C G A T C G P OH 竖线式 5’ pApTpCpGpApTpCpG-OH 3’ B 3’ 2’ 5’ 1’ 5’ pATCGATCG-OH 3’ 核酸 長鏈的記錄法，當然不能每次都把整個構造寫出來。方便的筆記法是把核糖變成一直線 (R)，從上到下分別是 1’ → 5’，而 1’ 接有鹼基 (B)，5’ 接有磷酸 (P)；各核苷酸間以斜線表示磷酸二酯鍵。 後來覺得這樣還是很麻煩，就省去直線及斜線，以 p 代替雙磷酯鍵，只留下各個不同的鹼基序列，最後又去掉鹼基間的 p；有時特別標出 5’ 及 3’ 端，以作為提醒，因為核酸的方向性極為重要。 R ATCGATCG 文字式 P DNA中多核苷酸的一个片段及缩写符号 Juang RH (2004) BCbasics

ATCGATCG GCTAGCTA 两股核酸的方向相反 5’ 3’ 5’ pApTpCpGpApTpCpG-OH 3’ 5’ pCpGpApTpCpGpApT-OH 3’ 3’ 5’ ATCGATCG GCTAGCTA 是不同的序列. Juang RH (2004) BCbasics

DNA的一级结构 5’ 3’ A T C G A T C G P OH P P P P P P P （三）.DNA的一级结构 蛇毒磷酸二酯酶 牛脾磷酸二酯酶 蛇毒磷酸二酯酶水解DNA（RNA）得5’-核苷酸 牛脾磷酸二酯酶水解DNA（RNA）得3’-核苷酸 DNA是dAMP、dGMP、dCMP、dTMP通过3’、5’-磷酸二酯键连接起来的线形或环形多聚体。

DNA的二级结构——双螺旋结构 1、二级结构的阐明 DNA的Na盐纤维和DNA晶体的X光衍射分析。 Franklin 1962 DNA的Na盐纤维和DNA晶体的X光衍射分析。 Franklin ★Chargaff 规律 1950年 a. 所有生物的DNA中，A=T，G=C 且A+G=C+T。 P485表13-5。 b. DNA的碱基组成具有种的特异性。 c. DNA碱基组成没有组织和器官的特异性。 d. 年龄、营养状况、环境等因素不影响DNA的碱基组成。 1953年，Watson和Crick根据Chargaff 规律和DNA Na盐纤维的X光衍射分析提出了DNA的双螺旋结构模型。 Judson (1996) The Eighth Day of Creation

Watson-Crick双螺旋结构模型(B-DNA) ①、两条反平行的多核苷酸链绕同一中心轴相缠绕，形成右手双股螺旋，一条5’→3’，另一条3’→5’

②、磷酸与脱氧核糖彼此通过3’、5’-磷酸二酯键相连接，构成DNA分子的骨架。 ③、磷酸与脱氧核糖在双螺旋外侧，嘌呤与嘧啶碱位于双螺旋的内侧。

④、两条核苷酸链之间依靠碱基间的氢键结合在一起， A与T相配以，形成2个氢键；G与C相配对，形成3个氢键。

⑤、螺圈之间主要靠碱基平面间的堆积力维持 ⑥、碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行

⑦、每圈螺旋有10个核苷酸 ，碱基堆积距离0.34nm，双螺旋平均直径2nm， ⑧、大沟：宽1.2nm ，深0.85nm， 两条反平行的多核苷酸链绕同一中心轴相缠绕，形成右手双股螺旋，一条5’→3’，另一条3’→5’ 磷酸与脱氧核糖彼此通过3‘、5‘-磷酸二酯键相连接，构成DNA分子的骨架。 磷酸与脱氧核糖在双螺旋外侧，嘌呤与嘧啶碱位于双螺旋的内侧。 碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行 两条核苷酸链之间依靠碱基间的氢链结合在一起。 螺圈之间主要靠碱基平面间的堆积力维持 每圈螺旋含10个核苷酸，碱基堆积距离0.34nm，双螺旋平均直径2nm， 大沟：宽1.2nm ，深0.85nm， 小沟 ：宽0.6nm，深0.75nm ⑦、每圈螺旋有10个核苷酸 ，碱基堆积距离0.34nm，双螺旋平均直径2nm， ⑧、大沟：宽1.2nm ，深0.85nm， ⑨、小沟 ：宽0.6nm，深0.75nm

⑩、碱基在一条链上的排列顺序不受任何限制。当一条多核苷酸链的序列被确定后，互补链的序列确定。这表明，遗传信息由碱基的序列所携带。

DNA的二级结构——双螺旋结构 DNA结构双螺旋结构的提出，被认为是本世纪生命科学史最重要的贡献之一，同时也是自然科学史上的重大贡献。它直接解释了生物遗传信息的传递与表达的规律，使生命科学从此进入一个崭新的时代即分子生物学时代。

DNA的二级结构——双螺旋结构 2、稳定双螺旋结构的因素 ①碱基堆积力形成疏水环境（主要因素） 。 ②碱基配对的氢键。GC含量越多，越稳定。 ④碱基处于双螺旋内部的疏水环境中，可免受水溶性活性小分子的攻击。

Nelson & Cox (2000) Lehninger Principles of Biochemistry (3e) p.337 核酸骨架的自由度比蛋白质高 Juang RH (2004) BCbasics 雙螺旋 的磷酸脊骨，雖然比起蛋白質長鏈有較大的彈性，可以較為自由地活動，但仍有一定的限制。 因此，整條雙螺旋分子並不能很自由地平攤成一直線，會以雙螺旋為軸心再度捲繞，稱為超捲曲 (supercoil) 的構造。 Nelson & Cox (2000) Lehninger Principles of Biochemistry (3e) p.337

DNA的二级结构——双螺旋结构 3、 DNA二级结构的多型性 DNA双螺旋的不同类型 类型 旋转 方向 螺旋 直径 (nm) 螺距 每匝碱基对数目 碱基对间垂直距离 碱基对与水平夹角 A-DNA 右 2.55 2.46 11 0.23 190 B-DNA 2.37 3.32 10.4 0.34 10 Z-DNA 左 1.84 4.56 12 0.38 90 P489表13-6 A-、B-、Z-DNA的比较 相对湿度92%：B—DNA 相对湿度75%：A—DNA。 （1）   B—DNA：典型的Watson-Crick双螺旋DNA 右手双螺旋 每圈螺旋10.4个碱基对 螺距：3.32nm （2）  A-DNA 右手双螺旋，外形粗短。 RNA-RNA、RNA-DNA杂交分子具有这种结构。 （3）Z-DNA 左手螺旋，外形细长。 天然B-DNA的局部区域可以形成Z-DNA。

oligo(Py) : oligo(Pu)—oligo(Py/Pu) 4、三股螺旋DNA K. Hoogsteen 1963 通常是一条同型寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸-寡嘌呤核苷酸双螺旋的大沟结合： oligo(Py) : oligo(Pu)—oligo(Py/Pu)

第一股是寡嘧啶，中间是寡嘌呤，第三股可以是寡嘧啶或寡嘌呤 H-DNA：绞链DNA是一种分子内折叠形成的三股螺旋

第三股与寡嘌呤之间同向平行，并按Hoogsteen配对 三股螺旋DNA中的Hoogsteen-bonding T= A : A , C≡G ： C+ T = A : T C≡G ： G ★当DNA的一段寡嘧啶（寡嘌呤）构成镜像重复时可以形成三股螺旋（铰链DNA，hinged DNA , H-DNA) P 490 图13-11 H-DNA的结构

三股螺旋DNA DNA三股螺旋结构常出现在DNA复制、转录、重组的起始位点或调节位点，如启动子区。 第三股链的存在可能使一些调控蛋白或RNA聚合酶等难以与该区段结合，从而阻遏有关遗传信息的表达。

四股DNA 可能存在于真核细胞染色体的端粒中

DNA的三级结构 DNA的三级结构是指DNA分子在双螺旋的基础上通过扭曲和折叠形成的特定构象。

DNA的三级结构 1、环状DNA的三种典型构象 （1）松弛环形DNA：线形DNA直接环化 （2）解链环形DNA：线形DNA拧松后再环化

三种环状DNA分子具有相同的结构，但是拓扑构象不同，称它们为拓扑异构体。

DNA的三级结构 2、三种环形DNA的拓扑学特性 25 23 -2 L=T+W ①连环数（linking number , L） ②扭转数（twisting number , T） DNA分子中的Watson-Crick螺旋数目，以T表示 ③超螺旋数（缠绕数 , writhing number , W） ④比连环差（λ）表示DNA的超螺旋程度 L=T+W 连环数（L） 缠绕数（T） 扭曲数W 松驰环 25 解链环 23 超螺旋 -2 ④比连环差（specific linking difference , λ） 表示DNA的超螺旋程度(Superhelix density) λ=（L—L0）/L0 = 每一圈初级螺旋（10bp，360°）出现超螺旋数 L0是指松驰环形DNA的L值 一般天然DNA分子中σ=-0.05=5%负向超螺旋 SV40 5226bp T=522 W=-26(L=496) σ=-0.05 E.coli 4.2X106bp T=4.2X105 W=4.2 X 105 X - 0.05=-2X104 负超螺旋DNA是由于两条链的缠绕不足引起（L），很易解链，易于参加DNA的复制、重组和转录等

DNA的三级结构 3、拓扑异构酶 改变DNA拓扑异构体的L值。 ①拓扑异构酶酶I（解旋酶） ②拓扑异构酶酶II（促旋酶） 能使松驰环状DNA转变成负超螺旋形DNA，每次催化使L减少2。

DNA与蛋白质复合物的结构 基因组DNA与蛋白质结合形成染色体（染色质） （1）整个病毒可以看成游离的染色体 组成：核酸、蛋白、脂类、糖类 基因组：单链或双链的DNA（或RNA），多数环状 形状：丝状、多面体状、 （2）细菌染色体的结构——拟核，nucleoid 细菌基因组多数为双链环状DNA ，与碱性蛋白、RNA结合，形成带有无数突环的刷状染色体。

DNA与蛋白质复合物的结构 （3）真核生物染色体的结构 染色体的基本结构单位是核小体。核小体是由DNA和组蛋白组成的。 组蛋白有五种H1,H2A,H2B,H3,H4,后四种各两分子构成一个八聚体，其外再由双螺旋DNA绕其旋转1.75圈(为DNA的三级结构)，约含140bp 。称为核小体的核心颗粒(core particle)。两个核心颗粒之间由一段双螺旋DNA链(约60bp)相连，称为连接部。组蛋白H1结合在此部位。若干个核小体再螺旋形成核小体纤维，再进一步螺旋化形成染色体。从双螺旋DNA到染色体，DNA总共压缩了约8000～10000倍. 染色质、染色体 常染色质、异染色质 永久性异染色质、功能性异染色质 核小体（nucleosome):146bp, 组蛋白：H2A、H2B、H3、H4 P495 图13-17真核生物染色体DNA的组装层次

DNA与蛋白质复合物的结构 （3）真核生物染色体的结构 核小体的结构

DNA与蛋白质复合物的结构 （3）真核生物染色体的结构 6个核小体念珠绕成30nm纤丝（fiber)

DNA与蛋白质复合物的结构 （3）真核生物染色体的结构 纤丝扭曲变成突环（loop)，约75000bp。 六个突环一个玫瑰花结（rosette)。 进而组装成螺旋圈(coil)，由螺旋圈 再组装成染色单体（chromatid)。

染色体的结构层次 核酸紧密缠绕在组蛋白上面 核小体结构 Nucleosome 螺线管结构 Solenoid 突环结构 Loop 微带 Miniband 核酸紧密缠绕在组蛋白上面 染色体

真核生物DNA的序列特点 DNA一级结构的不均一性 1.重复序列 1)高度重复序列(卫星DNA) 2-10bp/copy, 105-106 copies/genome 多为串联重复排列 分布于着丝点、端粒区、结构基因两侧 2)中度重复序列 0.1-1Kb/copy 10-104 copies/genome 多为间隔重复称散布重复序列;少数称串联重复序列. rDNA\tDNA\Histone gene cluster 3)单拷贝序列（single copy sequence) 正向重复(? repeat) 反向重复（回文序列） (inverted repeat, palindrome sequence) 较长的回文结构，可形成茎环结构(发夹结构)或十字形结构 较短的回文序列，可作为一种特别信号，如限制性核酸内切酶的识别位点。 转录的终止作用与回文结构有关。 镜象重复（mirror repeat) 某些情况下可以三股螺旋DNA

真核生物DNA的序列特点 2.回文结构（序列） (inverted repeat, palindrome sequence) 较长的回文结构，可形成茎环结构(发夹结构)或十字形结构。 较短的回文序列，可作为一种特别信号，如限制性核酸内切酶的识别位点。转录的终止作用与回文结构有关。

真核生物DNA的序列特点 回文序列中的单链可形成发卡结构 双链回文序列可形成十字架结构

真核生物DNA的序列特点 3）镜象结构 所谓镜象结构就是指DNA某一片段在一条链上出现颠倒重复的序列。 多嘌呤-多嘧啶的镜象序列可形成三螺旋结构(H-螺旋或Hoogsteen螺旋): 该螺旋常处在许多真核细胞基因的表达调节区。可能与基因表达的调节有关. （2） 富含AT的序列 很多有重要调节功能的DNA区段都富含AT碱基对。特别是在复制起点和转录启动的Pribnow区，富含AT对。

真核细胞的内含子（Intron）与 外显子（Exon） DNA promotor intron 3’ 5’ start codon stop codon Transcription 5’ 3’ mRNA Processing cap poly A tail Splicing 真核細胞 的基因構造有一點與原核細胞差別很大，就是其基因當中，插入有將來不會被表現出來的片段，稱為 intron。 當轉錄 RNA 時，這些 intron 也會如數被合成出來，形成初生 RNA，後者先經 capping 及 polyA tail 的頭尾修飾，再以 spliceosome 切出 intron，得到成熟 mRNA，送出細胞核，以便在細胞質中轉譯蛋白質。 目前還不確知為何有 intron 的存在，但若以遺傳工程手法去除 intron，則此基因可能無法正常在原來的細胞核中表現。 去除 intron 都在细胞核中进行 mature mRNA 送至细胞质 Juang RH (2004) BCbasics

Nelson & Cox (2000) Lehninger Principles of Biochemistry (3e) p.992 Intron的发现 Roberts, Sharp (1993) 第一次 發現基因並非連續，是生化科技系前身農化系系友周芷用電子顯微鏡觀察到的。她把某基因與其 cDNA 混合，則兩者的相似序列可以互相雜合，但卻發現在原來的基因上，有些『多出來』的核酸片段，整個露在外頭，無法與 cDNA 雜合。 周芷的老闆 Roberts 起先不相信，以為實驗有問題，後來證實真核細胞的基因中，的確含有一些不會表現的片段，稱之為 intron (內隱子)；而那些會表現出來的片段，稱為 exon (外顯子)。 Roberts 因此獲得諾貝爾獎，而周芷卻無緣，說來實在有點不太公平；更詳細的報導可以參考中研院網頁 http://www.sinica.edu.tw/as/weekly/83/478/person.txt。 First intron Nelson & Cox (2000) Lehninger Principles of Biochemistry (3e) p.992

第三节 核酸的结构 二、RNA的结构 （一）RNA的碱基组成 1.由A,U,G,C四种碱基组成. 2.含有较多的稀有碱基. 4.mRNA的碱基组成与DNA非常相似(U代替T),有人称D-RNA. 5.在tRNA中,由于双螺旋结构较多,基本上A=U;G=C.在一些双链RNA病毒中,A=U;G=C.

第三节 核酸的结构 二、RNA的结构 （二）RNA的一级结构 ①AMP、GMP、CMP、UMP通过3’、5’磷酸二 酯键形成的线形多聚体。

RNA 很容易被水解而断裂 微碱 断 裂 RNase RNA 在其核糖分子的 2‘ 位置上，比 DNA 多了一個氧原子，亦即其 2’ 位置為 -OH 官能基，因此在微鹼情況下，OH- 會攻擊此醇基，導致 3‘ 上面磷酯鍵的斷裂，因而瓦解 RNA 分子。所以 RNA 分子比起 DNA 不穩定，容易被破壞掉；同時無所不在的 RNase 也隨時在細胞內外等著水解 RNA，因此 RNA 的半衰期比較短 (尤其是 mRNA)。

第三节 核酸的结构 （二）RNA的一级结构 1、mRNA的结构 原核：多顺反子,即一条mRNA链上有多个编码区。 真核：单顺反子 非翻译区 非翻译区（UTR）

第三节 核酸的结构 （二）RNA的一级结构 2、真核mRNA的结构 5’帽子 5’非编码区 编码区 3’非编码区 3’poly(A) m7G5’ppp5’Nm(Nm) 甲基化鸟苷酸 经焦磷酸与mRNA 5’末端核苷酸相连。 翻译起始控制 抑制因子结合 AUG起点 UGA终点 UAA UAG 抑制因子结合 定位信号 AAAAA-OH

5’-帽子：m7G 5’ -ppp5’-Nm（ Nm ）p- 甲基鸟苷5’，5’-三磷酸 ●由甲基化酶催化 ●可抵抗5’核酸外切酶降解mRNA。 ● 可为核糖体提供识别位点，使mRNA很快与核糖体结合，促进蛋白质合成起始复合物的形成。 O型： m7G 5’ -ppp5’-Np- :核糖未甲基化 I： m7G 5’ -ppp5’-Nmp-Np- ：一个核苷酸甲基化 II: m7G 5’ -ppp5’-Nmp -Nmp -Np-：二个核苷酸甲基化

3’-端有一段约30-300核苷酸的聚腺苷酸polyA。 ●PolyA是mRNA由核进入胞质所必需的形式。 ●polyA与mRNA半寿期有关，PolyA大大提高mRNA在胞质中的稳定性。

第三节 核酸的结构 （二）RNA的一级结构 3、原核mRNA的结构（多顺反子） 由先导区、插入序列、翻译区和末端序列组成。没有5’帽子和3’polyA。 SD序列：5’端先导区中，有一段富含嘌呤的碱基序列，典型的为5’-AGGAGGU-3’，位于起始密码子AUG前约10核苷酸处，此序列由Shine和Dalgarno发现，称SD序列。 SD序列和核糖体16S的rRNA的3’末端富含嘧啶碱基的序列互补。

第三节 核酸的结构 （三）RNA的高级结构 单链RNA自行盘绕形成局部双螺旋的多“茎”多“环”结构，螺旋部分称为“茎”或“臂”，非螺旋部分称为“环”，在螺旋区，A与U配对，G与C配对。 1、tRNA的一级结构 70-90b，分子量在25kd左右，沉降系数4S左右 有较多稀有碱基 3’末端为…CCA-OH 5’末端大多为pG…或pC… 二级结构是三叶草形 倒L形的三级结构 P496 三叶草形的二级结构 氨基酸臂 二氢尿嘧啶环 反密码环 额外环 TC环（假尿嘧啶环） 497 倒L形的三级结构

2、三叶草形的二级结构 氨基酸臂 TφC环（假尿嘧啶环） 二氢尿嘧啶环 额外环 反密码环

3、tRNA的 三级结构： 倒"L"形 所有的tRNA折叠后形成大小相似及三维构象相似的三级结构，这有利于携带的氨基酸的tRNA进入核糖体的特定部位。

tRNA的功能： ●转运氨基酸 ●识别密码子 ●参与翻译起始 ●参与DNA的反转录 ●参与基因表达调控

第三节 核酸的结构 （三）RNA的高级结构 小亚基 大亚基 转录单位 原核 16 5 23 30 真核 18 5（单独转录） 28 5.8 4、rRNA的结构 细菌： 16S 、5S 、23S rRNA组成30S转录单位 真核：18S、 5.8S，28S rRNA组成45S的转录单位，5S rRNA单独转录。 小亚基 大亚基 转录单位 原核 16 5 23 30 真核 18 5（单独转录） 28 5.8 5 + 45

★rRNA的功能： ●组成核糖体 ●催化肽键形成的转移酶活性存在于23SrRNA上 ●参与tRNA与mRNA的结合